CN110849330B - 惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密微小零件自动装配技术领域，涉及一种惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置及方法。所述的装置包括上工装夹具10、夹具片8、下工装夹具、视觉模块和装调模块。本发明利用现有的零件夹具工装，根据零件及其夹具形状的特殊性，标定出与相机拍摄方向平行的三轴位移滑台的安装偏转角误差，进而补偿运动部件安装误差，提高装配设备的装配精度。本发明摆脱专用标定量块的限制，克服与相机拍摄方向相同的精密位移滑台安装偏角误差标定难题。

Description

惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置及方法

技术领域

本发明属于精密微小零件自动装配技术领域，涉及一种惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置及方法。

背景技术

惯性加速度计摆组件是导航系统的惯性敏感元件，用于测量运载体的加速度。目前摆组件主要依靠手工装配进行完成，其装配精度对加速度计的性能产生很大的影响，因此，摆组件各个零件的装配精度对提高摆式加速度计的性能有重要意义。

针对微小器件的装配设备，影响装配精度的主要原因是夹具工装的制造误差以及各个运动部件的安装误差。其中，夹具工装的制造误差可通过油石打磨等方式进行修正，运动部件的安装偏转角对装配设备的装配精度有很大的影响。基于视觉反馈的运动部件安装偏转角标定技术是补偿这一偏角误差进而提高设备装配精度的最有效方法。与相机拍摄方向垂直的精密位移滑台安装偏角已有成熟的标定方法，但针对与工业相机拍摄方向相同的运动部件安装偏转角标定尚未有成熟方法。

针对加速度计惯性摆组件装配设备，其自由度较多，采用“工业相机+45°斜面外反射棱镜”的目标零件空间位姿信息测量原理，装配设备结构紧凑。基于此，针对装配设备视觉深度方向的安装偏角标定难度较大，目前需要一种新型的标定此安装偏角的方法来补偿精密位移滑台安装偏转角造成的装配误差，确保装配设备的装配精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：摆脱专用标定量块的限制，解决与相机拍摄方向相同的精密位移滑台安装偏角标定难题。本发明提供一种用于加速度计惯性摆组件装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置及方法，可利用现有的零件夹具工装，根据零件及其夹具形状的特殊性，标定出与相机拍摄方向平行的位移滑台的安装偏转角，进而补偿运动部件安装误差，提高装配设备的装配精度。

本发明基于视觉反馈的装配策略采用“先看-后动”的控制方式，相机的视场大于零件进行一次调整的范围，即相机可以单次拍摄完成待装配零件的特征区域，在该方式下根据同一图像通过一次调整即完成装配。因此，该标定方法针对工作区域段的偏角误差进行标定，使位移滑台工作区域段获得较高标定精度，提高设备装配精度。标定与相机拍摄方向平行方向精密位移滑台的偏转角，利用工装夹具本身的位姿信息，不需要专用的标定量块，标定上装调模块Y轴和视觉模块Y轴的安装偏转角。

本发明的技术方案如下：

一种惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置，包括上工装夹具10、夹具片8、下工装夹具、视觉模块和装调模块。

所述的视觉模块包括视觉模块Y轴1、视觉模块X轴2、视觉模块Z轴3、和工业相机4；视觉模块Y轴1水平放置在光学平台上，视觉模块X轴2水平安装在视觉模块Y轴1上表面的滑轨上，二者成90°布置，视觉模块Z轴3竖直安装在视觉模块X轴2上表面的滑轨上，三者共同组成视觉模块的三轴位移滑台；视觉模块Z轴3的侧面安装有支架，工业相机4水平安装支架上，通过调整三轴位移滑台，带动工业相机4实现X、Y、Z轴三个方向的位置调整。

所述的装调模块包括上装调模块Z轴11、上装调模块Y轴12、上装调模块X轴13和旋转平台17；上装调模块X轴13水平放置在光学平台上，上装调模块Y轴12水平安装在上装调模块X轴13上表面的滑轨上，二者成90°布置，上装调模块Z轴11竖直安装在上装调模块Y轴12上表面的滑轨上，三者共同组成装调模块的三轴位移滑台；上装调模块Z轴11的侧面安装有支架，用于安装上工装夹具10；旋转平台17放置在光学平台上，与上装调模块X轴13安装在同一平面。

所述的上工装夹具10通过真空吸盘16吸附在上装调模块Z轴11侧面的支架上；上工装夹具10的侧面设有凹槽，45°斜面外反射棱镜7粘接在凹槽内，摆框架9竖直安装在上工装夹具10的侧面上，摆框架弯耳14与上工装夹具10的下表面齐平，45°斜面外反射棱镜7位于摆框架9的框架内，并位于摆框架两弯耳的中心线18上；摆框架9与工业相机4相对。

所述的下夹具工装，安装在旋转平台17上，通过旋转平台17调整下夹具工装的位置；所述的夹具片8为片状结构，其顶部设有方体的凸台15，夹具片8固定在下夹具工装的侧面，夹具片8顶面的非凸起处的平面与下夹具工装的顶面齐平，凸台15的顶面高于下夹具工装的顶面；凸台15竖直面中心线与摆框架两弯耳的中心线18均与上装调模块Z轴11的方向一致；凸台15位于45°斜面外反射棱镜7的斜面的正下方，45°斜面外反射棱镜7通过光路反射获取凸台15水平面的位置信息。

一种惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定方法，步骤如下：

步骤(1)：将摆框架9和45°斜面外反射棱镜7安装在上工装夹具10的摆框架安装面上，安装后摆框架9的位置不会发生变化；移动装调模块的三轴位移滑台，通过真空吸盘16吸附上工装夹具10，将带有摆框架9及45°斜面外反射棱镜7的上工装夹具10移动到下工装夹具片8的斜上方，移动位置使工业相机4既可以获取45°斜面外反射棱镜7里的图像信息，也可获取凸台15顶面的轮廓信息。

步骤(2)：通过45°斜面外反射棱镜7和工业相机4拍摄凸台15的顶面，并采集图像获取凸台15顶面中心线，记录此时凸台15顶面中心线在X方向的像素点坐标为X₀；然后调整视觉模块X轴2前后移动，使工业相机4沿视觉模块Y轴1后退，直至图像采集界面中摆框架9的两个摆框架弯耳14图像清晰，后退距离为D₁。

步骤(3)：通过工业相机4采集当前图像并获取摆框架两弯耳的中心线18，记录此时摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标为X₁；然后调整视觉模块X轴2前后移动，使工业相机4沿视觉模块Y轴1后退，直至图像采集界面中凸台15的竖直面图像清晰，后退距离为D₂。

步骤(4)：通过工业相机4采集当前图像并获取凸台15的竖直面中心线，记录此时凸台15竖直面的中心线在X方向的像素点坐标为X₂。

步骤(5)：摆框架两弯耳的中心线18与凸台15的顶面中心线存在自身偏差δ_x；则根据光路以及三轴位移平台的几何关系得到视觉模块Y轴1绕视觉模块Z轴3的安装偏转角c的关系式如下：

S_x×(X₁-X₀)＝δ_x+D₁×sin c (1)

S_x×(X₂-X₁)＝δ_x+D₂×sin c (2)

其中，S_x为单个相机像素点在X方向的宽度，即自身偏差；

则视觉模块Y轴1绕视觉模块Z轴3的安装偏转角c：

c＝sin^-1[S_x×(X₀+X₂-2X₁)/(D₂-D₁)] (3)

步骤(6)：以摆框架两弯耳的中心线18作为特征线，通过工业相机4获取摆框架两弯耳的中心线18，记录此时摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标为X₃；视觉模块Y轴1以及上装调模块Y轴12各自向前或向后移动相同的距离f；并进行第二次采集图像，此时图像采集界面仍为摆框架弯耳14，记录此时摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标为X₄。

步骤(7)：摆框架9沿着上装调模块Y轴12方向移动距离f，工业相机4沿着视觉模块Y轴1方向移动相同距离f，此时由视觉模块Y轴1安装偏转角c在X方向造成的偏差为f sinc，由上装调模块Y轴12的安装偏转角γ在X方向造成的偏差为f sin γ；根据光路以及三轴位移平台的几何关系得到关系式如下：

S_x×(X₄-X₃)＝f×(sin c-sin γ) (4)

则上装调模块Y轴12绕上装调模块Z轴11的安装偏转角γ：

γ＝sin^-1{sin c-S_x×[(X₄-X₃)/f]} (5)。

本发明具有以下有益效果：

(1)摆脱专用标定量块的限制，利用工装夹具本身的位姿信息，不需要专用的标定量块；

(2)解决与相机拍摄方向相同的精密位移滑台安装偏角标定难题，补偿此方向运动部件的安装偏转角造成的装配误差；

(3)使精密位移滑台工作区域段获得较高标定精度，提高设备装配精度。

附图说明

图1为惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置的示意图；

图2为视觉模块以及测量原理示意图；

图3为摆框架示意图；

图4为上装调模块示意图；

图5为上、下工装夹具示意图。

图1-图5中：1视觉模块Y轴；2视觉模块X轴；3视觉模块Z轴；4工业相机；5待测零件A面；6待测零件B面；7 45°斜面外反射棱镜；8夹具片；9摆框架；10上工装夹具；11上装调模块Z轴；12上装调模块Y轴；13上装调模块X轴；14摆框架弯耳；15凸台；16真空吸盘；17旋转平台；18摆框架两弯耳的中心线。

图6为视觉模块的Y轴偏转角测量原理图，图中，d为工业相机到45°斜面外反射棱镜的距离；h₁为45°斜面外反射棱镜与夹具片中心线竖直方向距离；h₂为摆框架与夹具片水平方向的距离；夹具片侧面中心线即凸台竖直面中心线。

图7为Y轴的偏转角理论分析图，图中y轴是垂直于像面的虚拟轴，γ角为UP_Y轴的偏转角，c角是视觉模块Y轴绕Z轴的安装偏转角；A点为上装调模块Y轴12移动距离f前位置，A’为上装调模块Y轴12移动距离f后位置；VA点为视觉模块Y轴1移动距离f前位置，VA’点为视觉模块Y轴1移动距离f后位置；δ为视觉模块Y轴1以及上装调模块Y轴12各自向前或向后移动相同的距离f产生在X方向的偏差。

具体实施方式：

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定方法，所使用的装置如图1-5所示，包括上工装夹具10、夹具片8、下工装夹具、视觉模块和装调模块。视觉模块包括视觉模块Y轴1、视觉模块X轴2、视觉模块Z轴3、和工业相机4。装调模块包括上装调模块Z轴11、上装调模块Y轴12、上装调模块X轴13和旋转平台17；上工装夹具10通过真空吸盘16吸附在上装调模块Z轴11侧面的支架上；45°斜面外反射棱镜7粘接在凹槽内，摆框架9竖直安装在上工装夹具10的侧面上，摆框架弯耳14与上工装夹具10的下表面齐平，45°斜面外反射棱镜7位于摆框架9的框架内，并位于摆框架两弯耳的中心线18上；摆框架9与工业相机4相对；下夹具工装，安装在旋转平台17上；夹具片8为片状结构，其顶部设有方体的凸台15，夹具片8固定在下夹具工装的侧面，夹具片8顶面的非凸起处的平面与下夹具工装的顶面齐平，凸台15的顶面高于下夹具工装的顶面。

测量原理如下：工业相机4安装在视觉模块的三轴位移滑台上，工业相机4水平放置并与世界坐标系Y轴平行，视觉模块X轴2可将工业相机4移动到不同的测量位置，通过视觉模块Y轴1调整工业相机4镜头到被测物体的距离从而实现工业相机4的对焦，通过视觉模块Z轴3调整工业相机4上下位置实现直接拍摄和45°斜面外反射棱镜7反射拍摄的切换。45°斜面外反射棱镜7安装在上工装夹具10的凹槽内上，通过移动装调模块的三轴位移滑台，将上工装夹具10、45°斜面外反射棱镜7以及摆框架9移动到下工装夹具片8的上方。当工业相机4通过三轴位移滑台调整到摆框架9的正前方时，可以采集到待测零件A面5的图像数据，其中待测零件为摆框架9或凸台15；待测零件A面5对应为摆框架弯耳14的轮廓信息或凸台15竖直面的轮廓信息；当工业相机4通过三轴位移滑台移动到45°斜面外反射棱镜7正前方时，利用光路的反射成像形成一个竖直向下的虚拟相机，虚拟相机拍摄被待测零件B面6的图像数据，即凸台15顶面的轮廓信息；通过以上测量原理采集到零件的三维位姿信息。

具体标定步骤如下：

(1)将摆框架9和45°斜面外反射棱镜7安装在上工装夹具10的摆框架安装面上，安装后摆框架9的位置不会发生变化；移动装调模块三轴位移滑台，通过真空吸盘16吸附上工装夹具10，将带有摆框架9及45°斜面外反射棱镜7的上工装夹具10移动到下工装夹具片8的斜上方，移动位置使工业相机4既可以获取45°斜面外反射棱镜7里的图像信息，也可获取下工装夹具片凸台15顶面的轮廓信息。

(2)先将视觉模块Y轴1的安装偏转角标定出来，才能通过特征点标定出上装调模块Y轴12绕上装调模块Z轴11的安装偏转角。其具体的过程如下，选择装卡接线片零件的夹具片8顶/侧面中心线和两侧摆框架弯耳的中心线18作为特征线来计算视觉模块Y轴1绕视觉模块Z轴3的安装偏转角。测量原理如图2和图5所示，通过45°斜面外反射棱镜7及工业相机4拍摄凸台15的顶面，即水平面；并采集图像获取凸台15顶面中心线，记录此时凸台15顶面中心线在X方向的像素点坐标为X₀；其次工业相机4沿视觉模块Y轴1后退一定距离，直至图像采集界面中摆框架9的两个摆框架弯耳14图像清晰，此时工业相机4后退距离记录为D₁。

(3)再通过工业相机4采集当前图像并获取摆框架两弯耳的中心线18，记录此时摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标为X₁；最后工业相机4沿视觉模块Y轴1后退一定距离，直至图像采集界面中凸台15的竖直面图像清晰，此时工业相机4后退距离记录为D₂。

(4)再通过工业相机4采集当前图像并获取凸台15的竖直面的中心线，记录此时凸台15竖直面中心线在X方向的像素点坐标为X₂。

(5)摆框架两弯耳的中心线18与凸台15的顶面中心线存在自身偏差δ_x，δ_x为工业相机4移动前存在的偏差；摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标X₁与凸台15顶面中心线在X方向的像素点坐标X₀的偏差值由自身偏差δ_x及工业相机4沿视觉模块Y轴1的后退距离D₁造成；凸台15竖直面中心线在X方向的像素点坐标X₂与摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标X₁的偏差值由自身偏差δ_x及工业相机4沿视觉模块Y轴1的后退距离D₂造成。如图6所示，根据光路以及三轴位移平台的几何关系得到视觉模块Y轴1绕视觉模块Z轴3的安装偏转角c的关系式如下：

S_x×(X₁-X₀)＝δ_x+D₁×sin c (1)

S_x×(X₂-X₁)＝δ_x+D₂×sin c (2)

其中，S_x为单个相机像素点在X方向的宽度；

则视觉模块Y轴1绕视觉模块Z轴3的安装偏转角c：

c＝sin^-1[S_x×(X₀+X₂-2X₁)/(D₂-D₁)] (3)

(6)得到视觉模块Y轴1绕Z轴3的偏角c之后再标定上装调Y轴12绕Z轴11的安装偏转角，其具体方法是以摆框架两弯耳的中心线18作为特征线，通过工业相机4获取摆框架两弯耳的中心线18，记录此时摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标为X₃；其次视觉模块Y轴1以及上装调模块Y轴12各自向前或向后移动相同的距离f(此距离f无限制，不超过精密位移滑台行程即可)，并进行第二次采集图像，此时图像采集界面仍为摆框架弯耳14，记录此时摆框架两弯耳的中心线18在X方向的像素点坐标为X₄。

(7)：摆框架9沿着上装调模块Y轴12方向移动距离f，工业相机4沿着视觉模块Y轴1方向移动相同距离f，此时由视觉模块Y轴1安装偏转角c在X方向造成的偏差为f sin c，由上装调模块Y轴12的安装偏转角γ在X方向造成的偏差为f sin γ；摆框架两弯耳的中心线18在移动前X方向的像素点坐标X₃与摆框架两弯耳的中心线18在移动后X方向的像素点坐标X₄的差值由视觉模块Y轴1和上装调模块Y轴12的移动距离f造成。其理论分析图如图7所示，A点为上装调模块Y轴12移动距离f前位置，A’为上装调模块Y轴12移动距离f后位置；VA点为视觉模块Y轴1移动距离f前位置，VA’点为视觉模块Y轴1移动距离f后位置；y轴世界坐标系绝对垂直的虚拟轴；δ为视觉模块Y轴1以及上装调模块Y轴12各自向前或向后移动相同的距离f产生在X方向的偏差。由此可得等式：

S_x×(X₄-X₃)＝f×(sin c-sin γ) (4)

则上装调模块Y轴12绕上装调模块Z轴11的安装偏转角γ：

γ＝sin^-1{sin c-S_x×[(X₄-X₃)/f]} (5)。

Claims (2)

1.一种惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置，其特征在于，所述的惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置包括上工装夹具(10)、夹具片(8)、下工装夹具、视觉模块和装调模块；

所述的视觉模块包括视觉模块Y轴(1)、视觉模块X轴(2)、视觉模块Z轴(3)、和工业相机(4)；视觉模块Y轴(1)水平放置在光学平台上，视觉模块X轴(2)水平安装在视觉模块Y轴(1)上表面的滑轨上，二者成90°布置，视觉模块Z轴(3)竖直安装在视觉模块X轴(2)上表面的滑轨上，三者共同组成视觉模块的三轴位移滑台；视觉模块Z轴(3)的侧面安装有支架，工业相机(4)水平安装支架上，通过调整三轴位移滑台，带动工业相机(4)实现X、Y、Z轴三个方向的位置调整；

所述的装调模块包括上装调模块Z轴(11)、上装调模块Y轴(12)、上装调模块X轴(13)和旋转平台(17)；上装调模块X轴(13)水平放置在光学平台上，上装调模块Y轴(12)水平安装在上装调模块X轴(13)上表面的滑轨上，二者成90°布置，上装调模块Z轴(11)竖直安装在上装调模块Y轴(12)上表面的滑轨上，三者共同组成装调模块的三轴位移滑台；上装调模块Z轴(11)的侧面安装有支架，用于安装上工装夹具(10)；旋转平台(17)放置在光学平台上，与上装调模块X轴(13)安装在同一平面；

所述的上工装夹具(10)通过真空吸盘(16)吸附在上装调模块Z轴(11)侧面的支架上；上工装夹具(10)的侧面设有凹槽，45°斜面外反射棱镜(7)粘接在凹槽内，摆框架(9)竖直安装在上工装夹具(10)的侧面上，摆框架弯耳(14)与上工装夹具(10)的下表面齐平，45°斜面外反射棱镜(7)位于摆框架(9)的框架内，并位于摆框架两弯耳的中心线(18)上；摆框架(9)与工业相机(4)相对；

所述的下工装夹具，安装在旋转平台(17)上，通过旋转平台(17)调整下工装夹具的位置；所述的夹具片(8)为片状结构，其顶部设有方体的凸台(15)，夹具片(8)固定在下工装夹具的侧面，夹具片(8)顶面的非凸起处的平面与下工装夹具的顶面齐平，凸台(15)的顶面高于下工装夹具的顶面；凸台(15)竖直面中心线与摆框架两弯耳的中心线(18)均与上装调模块Z轴(11)的方向一致；凸台(15)位于45°斜面外反射棱镜(7)的斜面的正下方。

2.一种惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定方法，采用权利要求1所述的惯性摆装配设备视觉深度方向的安装偏角标定装置进行标定，其特征在于，具体步骤如下：

步骤(1)：将摆框架(9)和45°斜面外反射棱镜(7)安装在上工装夹具(10)的摆框架安装面上，安装后摆框架(9)的位置不会发生变化；移动装调模块的三轴位移滑台，通过真空吸盘(16)吸附上工装夹具(10)，将带有摆框架(9)及45°斜面外反射棱镜(7)的上工装夹具(10)移动到下工装夹具片(8)的斜上方，移动位置使工业相机(4)既可以获取45°斜面外反射棱镜(7)里的图像信息，也可获取凸台(15)顶面的轮廓信息；

步骤(2)：通过45°斜面外反射棱镜(7)和工业相机(4)拍摄凸台(15)的顶面，并采集图像获取凸台(15)顶面中心线，记录此时凸台(15)顶面中心线在X方向的像素点坐标为X₀；然后调整视觉模块X轴(2)前后移动，使工业相机(4)沿视觉模块Y轴(1)后退，直至图像采集界面中摆框架(9)的两个摆框架弯耳(14)图像清晰，后退距离为D₁；

步骤(3)：通过工业相机(4)采集当前图像并获取摆框架两弯耳的中心线(18)，记录此时摆框架两弯耳的中心线(18)在X方向的像素点坐标为X₁；然后调整视觉模块X轴(2)前后移动，使工业相机(4)沿视觉模块Y轴(1)后退，直至图像采集界面中凸台(15)的竖直面图像清晰，后退距离为D₂；

步骤(4)：通过工业相机(4)采集当前图像并获取凸台(15)的竖直面中心线，记录此时凸台(15)竖直面的中心线在X方向的像素点坐标为X₂；

步骤(5)：摆框架两弯耳的中心线(18)与凸台(15)的顶面中心线存在自身偏差δ_x；则根据光路以及三轴位移平台的几何关系得到视觉模块Y轴(1)绕视觉模块Z轴(3)的安装偏转角c的关系式如下：

S_x×(X₁-X₀)＝δ_x+D₁×sin c (1)

S_x×(X₂-X₁)＝δ_x+D₂×sin c (2)

其中，S_x为单个相机像素点在X方向的宽度，即自身偏差；

则视觉模块Y轴(1)绕视觉模块Z轴(3)的安装偏转角c：

c＝sin^-1[S_x×(X₀+X₂-2X₁)/(D₂-D₁)] (3)

步骤(6)：以摆框架两弯耳的中心线(18)作为特征线，通过工业相机(4)获取摆框架两弯耳的中心线(18)，记录此时摆框架两弯耳的中心线(18)在X方向的像素点坐标为X₃；视觉模块Y轴(1)以及上装调模块Y轴(12)各自向前或向后移动相同的距离f；并进行第二次采集图像，此时图像采集界面仍为摆框架弯耳(14)，记录此时摆框架两弯耳的中心线(18)在X方向的像素点坐标为X₄；

步骤(7)：摆框架(9)沿着上装调模块Y轴(12)方向移动距离f，工业相机(4)沿着视觉模块Y轴(1)方向移动相同距离f，此时由视觉模块Y轴(1)安装偏转角c在X方向造成的偏差为fsin c，由上装调模块Y轴(12)的安装偏转角γ在X方向造成的偏差为f sinγ；根据光路以及三轴位移平台的几何关系得到关系式如下：

S_x×(X₄-X₃)＝f×(sin c-sinγ) (4)

则上装调模块Y轴(12)绕上装调模块Z轴(11)的安装偏转角γ：

γ＝sin^-1{sin c-S_x×[(X₄-X₃)/f]} (5)。

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